Radiation damage not only seriously degrades the mechanical properties of tungsten (W) but also enhances hydrogen retention in the material. Introducing a large amount of defect sinks, e.g. grain boundaries (GBs) is an effective method for improving radiation-resistance of W. However, the mechanism by which the vacancies are dynamically annihilated at long timescale in nano-crystal W is still not clear. The dynamic picture for eliminating vacancies with single interstitials and small interstitial-clusters has been investigated by combining molecular dynamics, molecular statics and object Kinetic Monte Carlo methods. On one hand, the annihilation of bulk vacancies was enhanced due to the reflection of an interstitial-cluster of parallel crowdions by the GB. The interstitial-cluster was observed to be reflected back into the grain interior when approaching a locally dense GB region. Near this region, the energy landscape for the interstitial was featured by a shoulder, different to the decreasing energy landscape of the interstitial near a locally loose region as indicative of the sink role of the GB. The bulk vacancy on the reflection path was annihilated. On the other hand, the dynamic interstitial emission efficiently anneals bulk vacancies. The single interstitial trapped at the GB firstly moved along the GB quickly and clustered to be the di-interstitial therein, reducing its mobility to a value comparable to that that for bulk vacancy diffusion. Then, the bulk vacancy was recombined via the coupled motion of the di-interstitial along the GB, the diffusion of the vacancy towards the GB and the accompanying interstitial emission. These results suggest that GBs play an efficient role in improving radiation-tolerance of nano-crystal W via reflecting highly-mobile interstitials and interstitial-clusters into the bulk and annihilating bulk vacancies, and via complex coupling of in-boundary interstitial diffusion, clustering of the interstitial and vacancy diffusion in the bulk.
放射線損傷は、タングステン(W)の機械的特性を著しく劣化させるだけでなく、材料中での水素保持も増大させる。多数の欠陥シンク、例えば結晶粒界(GB)を導入することは、Wの耐放射線性を向上させる有効な方法である。しかしながら、ナノ結晶Wにおいて空格子点が長い時間スケールで動的に消滅する機構はまだ明らかではない。単一格子間原子および小さな格子間原子クラスターによる空格子点消滅の動的描像を、分子動力学法、分子静力学法、およびオブジェクト運動論的モンテカルロ法を組み合わせることによって調べた。一方で、平行クラウディオンからなる格子間原子クラスターがGBによって反射されることにより、バルク空格子点の消滅が促進された。この格子間原子クラスターは、局所的に高密度なGB領域に近づくと、結晶粒内部へ反射されることが観察された。この領域の近傍では、格子間原子のエネルギー地形は肩状の特徴を示し、GBのシンクとしての役割を示す局所的に粗な領域近傍での減少するエネルギー地形とは異なっていた。反射経路上のバルク空格子点は消滅した。他方で、動的な格子間原子放出はバルク空格子点を効率的にアニールする。GBに捕捉された単一格子間原子は、まずGBに沿って速やかに移動し、そこで二格子間原子へとクラスタリングし、その移動度をバルク空格子点拡散の移動度に匹敵する値まで低下させた。その後、バルク空格子点は、GBに沿った二格子間原子の運動、空格子点のGBに向かう拡散、およびそれに伴う格子間原子放出の連成を介して再結合された。これらの結果は、GBが、高移動度の格子間原子および格子間原子クラスターをバルク中へ反射してバルク空格子点を消滅させること、ならびに粒界内での格子間原子拡散、格子間原子のクラスタリング、およびバルク中での空格子点拡散の複雑な連成を通じて、ナノ結晶Wの耐放射線性向上に効率的な役割を果たすことを示唆している。